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物联网NB-IOT特性解密


NB-IOT是3GPP针对低功耗广覆盖类业务而定义的新一代移动物联网接入技术 ， 主要面向低速率超低成本、低功耗、广深覆盖、海量连接需求的物联网业务 。 例如智能抄表、智能家居、物流追踪、工业物联等 。 为满足这些业务 ， NB-IOT在物理层发送方式、网络结构、信令流程等方面做了简化 。
物联网NB-IOT特性解密
本文插图
一、覆盖增强
在物联网应用场景中 ， 水电气表、地下停车场等深度覆盖场景对覆盖能力的要求比传统2G/3G/4G要求更高 。 例如 ， 水表的使用位置与手机的使用场景不同 ， 水表可能位于家庭的角落 ， 穿透损耗有所增加 。 因此 ， 3GPP中提出了NB-IOT相对于GSM需要有额外20dB的覆盖增强设计需求 ， 用于弥补额外的损耗 。
NB-IOT具有三种部署方式：独立部署、保护带部署和带内部署 。 这三种部署模式的覆盖目标均为MCL为164dB ， 比GSM覆盖增强20dB.NB-IOT的覆盖增强 ， 在上行方向,主要通过提升上行功率谱密度、重复发送来实现 ， 三种工作模式的上行覆盖性能相近 。 在下行方向 ， 主要通过重复发送来实现覆盖增强 ， 在独立部署模式下下行性能速率优于其他两者 。
二、海量连接
根据权威机构预测 ， 到2025年全球物联网总的连接数将达到270亿 ， 总的市场规模超过万亿美金 ， 未来海量的物联网连接市场不仅给运营商 ， 同时也给芯片、模组、平台和应用厂家带来更多的发展机会 。
物联网如此庞大的终端海量连接需求中 ， 主要是传感类、监控类和控制类连接需求 ， 这些连接速率要求很低 ， 对业务时延不敏感、分布很广 ， 且某些场景下无线环境恶劣 ， 对功耗和成本非常敏感 。
NB-IOT实现海量连接的手段主要有两种：降低控制信令开销和窄带传输 。
降低控制信令开销
控制面数据传输：无须建立用户面承载 ， 直接使用控制面承载进行数据传输 ， 可节省5条信令 。
用户面数据传输：用户面数据传输方案在LTE基本过程的基础上 ， 引入了RRC挂起和恢复过程 ， 可节省4条信令 。
【物联网NB-IOT特性解密】窄带传输
NB-IOT专门设计了窄带传输方式 ， 更适宜承载小数据包、时延不敏感的物联网业务 。 系统带宽为200kHz 。 频域上 ， 上行资源粒度最小是3.75kHz ， 下行最小是180KHz 。 业务传输占用的频带资源较LTE显著降低 ， 在相同总资源下 ， 资源利用率更高 ， 支持的连接数更多 。
三、低功耗
物联网终端数量庞大 ， 有些终端处于不易更换电池或无法充电的环境 ， 因此低功耗是物联网终端必须具备的特性 。 3GPP在TS45.820中结合产业需求 ， 针对周期性上报业务 ， 给出的物联网终端低功耗需求是工作时长要达到10年左右 。
针对物联网终端低功耗的需求 ， 可以从待机功耗优化、数据传输功耗优化、业务模型优化三方面着手 。
待机功耗优化
PSM功能：允许终端数据传输完成后向网络申请进入深度睡眠 ， 进入PSM状态后 ， 不再监听寻呼消息 ， 变为不可及状态 。 当需要上行数据传输或周期性TAU/RAU时 ， 终端从PSM状态唤醒 。
eDRX：用于随机触发且对时延有要求的下行业务 ， 延长唤醒周期降低功耗 ，
数据传输功耗优化
通信协议优化：在?协议栈层面 ， 通过简化接入层的鉴权加密过程 ， 减少数据交互 ， 达到降低功耗的目标 。
RRC链路快速释放功能：终端应用层在完成业务传输后通知无线通信层 ， 终端通过NAS信令告知网络该数据为最后一个数据包 ， 网络可及时释放无线通信链路 ， 不用额外等待无线链路释放定时器超时再释放 ， 减少单次业务传输的耗电 。
业务模型优化
为了降低终端的功耗 ， 所有的终端业务模型均需遵循以下原则：减少消息交互的数量 ， 例如将多条消息合并为一条；减少数据净荷大小 ， 在进行数据发送前 ， 可在终端侧进行一定的数据处理再发送 。


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